Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Все эти явления приводят к очень сильным неравномерностям частотных и фазовых характеристик акустической ситемы, а оценить влияние этих неравномерностей на восприятие музыки весьма трудно. Кроме упомянутых линейных эффектов в акустических головках наблюдаются различные нелинейные эффекты, также создающие искажения. Звуковая катушка колеблется в магнитном поле, но это поле неоднородно, и сила, действующая на диффузор, зависит зт его текущего положения.
Если па вход головки подается больпой сигнал, то перемещение диффузора ограничивается элеменгами его подвески; если излучаемый сигнал имеет широкий спектр, го его низкочастотные составляющие могут порождать доплеровкий сдвиг частоты высокочастотных компонент.
При создании громкоговорителя или всей акустической системы нужно применять соответствующую измерительную аппаратуру, которая позволяла бы получать полное описание физических "войств разрабатываемой конструкции. Необходимо иметь также методику для анализа и интерпретации результатов таких измерений. Для этой цели очень подходит цифровая обработка сигналов.
Измерения характеристик громкоговорителей можно выполнять в частотной или во временной области. Обычно для измерений применяют генераторы качающейся частоты; для устранения искажений частотной характеристики, вызванных отражениями от стен омещения, измерения выполняются в специальных безэховых камерах. Измерения фазы, особенно на высоких частотах, обычно не проводятся как пе очень важные.
Таким образом, проектирование громкоговорителей в большинстве случаев основывается на неполных измерениях характеристик акустических систем и трудно определить, какое значение имеют характеристики, оставшисся нензмеренными. Кроме результатов измерений в частотной области для получения характеристик громкоговорителя можно использовать импульсный отклик, который полностью описывает линейную систему. Однако во избежание перегрузки громкоговорителя амплитуда возбуждающих импульсов в таком случае должна быть неболь- Рис. 2.24.
Блок-схема установки для измерения импульсных откликов громкого- ворителей. Результаты многократных измерений записываются и усредняются с помощью цвм. (ВОс произведено из работы [ИП] с разрешения Общества звукотехники,) шой. Но при слабом сигнале импульсный отклик заглушается фоновым шумом. Одним из путей преодоления этой трудности явля-' ется усреднение результатов многократных измерений с помощью- цифровой ~вычислительной машины [1211.
Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.24. Исследуемый громкоговоритель возбуждается последовательностью слабых импульсов, а высококачественный измерительный микрофон воспринимает звуковые волны. Сигнал квантуется и записывается в ЦВМ. Процесс многократно повторяется, так что полученный импульсный отклик является средним по множеству Глава 2 $16 Цифровая обработка звуковых сианалов 0 1 2 3 4 Еремам .ла. независимых измерений. Усреднение по 1000 импульсам позволяет понизить уровень шума на 30 дБ. Точность измерений в принципе здесь может быть задана произвольно, необходимо только время ,для накопления достаточного числа импульсов.
Звуковой импульс приходит к микрофону намного рапьшепервого эхо-сигнала, отраженного от стен. Это устраняет необходимость применения безэховых камер, поскольку влияние окружаю- Рис. 2.25. Импульсный отклик громкоговорителя, полученный методом накопления с усреднением. Средняя и нижняя кривые являются увеличенными вариантами верхней записи н показывазот импульсный отклик в более крупном масштабе. (Воспроизведено из работы [121] с разрешения Общества звукотехники.) щей обстановки начинает проявляться существенно позже, после прихода импульса от исследуемого громкоговорителя.
Пусть, например, громкоговоритель и микрофон установлены в середине комнаты размером 4Х4 м' па расстоянии 1 м друг от друга. Тогда первый импульс, отразившийся от стен, будет принят примерно через 9 мс после прихода прямого сигнала. Поэтому запись импульсного отклика следует обрезать до этого момента времени. Пример подобного импульсного отклика, взятый из статьи [121~, показан па рис.
2.25. Дополнительное увеличение масштаба по Вертикальной оси показывает, что отраженные импульсы существуют в помещении примерно в течение 7 мс. Однако психоакустические свойства данного громкоговорителя без дальнейшего анализа определить невозможно. Приведенные данные наиболее верно описывают свойства громкоговорителя, причем характеристики громкоговорителя, полученные с помощью импульсного метода, являются более точными по сравнению с данными, измеренными аналоговыми устройствами. В отличие от измерений с применением качающейся частоты в этом случае особенности помещения никак не влияют на результаты измерений, а тонкая структура амплитудной и фазовой Рис.
2.26, Частотная и фазовая характеристики исследуемого громкоговорителя, полученные вычислением преобразования Фурье от импульсного отклика, приведенного на предыдущем рисунке. Внизу приведены фактическая фазовая характеристика (а) и фазовая характеристика, полученная с помощью преобразования Гильберта от частотной характеристики, рассмат. риваемой как функция с минимальной фазовой задержкой (б).
(Воспроизведено из работы [121] с разрешения Общества звукотехники.) характеристик не смазывается за счет быстрого изменения частоты зондирующего сигнала. С помощью обычного алгоритма БПФ на основе импульсного отклика можно получить стандартные частотную и фазовую характеристики, подобные приведенным на рис. 2.26. Но, как и прежде, не очень ясно, какое значение имеют различные неравйомерности характеристик. Два глубоких провала частотной характеристики на частотах 1,1 и 2,2 кГц можно скомпенсировать с помощью выравнивающего фильтра, согласованного с этой характеристикой. Поведение характеристики в диапазоне выше 6 кГц не имеет существенного значения, так как данная головка работает в низкочастотном звене акустической системы и на пее не поступают высокочастотные составляющие сигналы. Тем не менее интерпретировать эту характеристику весьма непросто.
Для сравнения рядом с измеренной фазовой характеристикой изобра- Цифровая обработка звуковых сигналов 18 Глава 2 громя/частота %~ й'~~ ф ~ь кена фазовая характеристика, полученная с помощью преобразоания Гильберта от частотной характеристики, которая рассмат1ивалась при этом как функция с минимальной фазой. Расхожде1ие характеристик указывает на существование дополнительных 'разовых сдвигов, а это означает, что передаточная функция име.т нули в правой полуплоскости.
Таким образом, в данном и по1обных случаях фазовые характеристики могут иметь существен- 1ОЕ ЗиаЧЕНИЕ. Вследствие большой гибкости алгоритма БПФ можно воспольоваться другими формами представления данных. На рис. 2.27, 1апример, дап интегральный переходной спектр (частотно-пере:одная характеристика) громкоговорителя. Показан временной ход 1тклика громкоговорителя на разных частотах. Такой спектр по1учается, если запитать головку синусоидальным сигналом с потоянной амплитудой, а затем резко выключить сигнал и регпстировать процесс затухания акустических колебаний. Измерения ювторяются на всех частотах.
Из рис. 2.27 видно, что огибающие 1а разных частотах ведут себя по-разному. Распределение энергии ю спектру при внезапном отключении питающего сигнала отракает индивидуальные особенности громкоговорителя гораздо от:етливее, чем частотная и фазовая характеристики или импульс- знс. 2.27. Частотно-переходная характеристика исследуемого громкоговорителя. ое представление позволяет демонстрировать одновременно спектральные и временные 1аниое пре ависимости.
имости. «Хребты», появляющиеся в определенные моменты времени, указывают иа озвикновеиие огерентных отражений' «хреб г ь|» на определе~ ~асу ществов ствоваиие резонансов, которые в стационарном состоянии могут быть не видны. ]Воспроизведено нз работы 1121] с разрешения Общества звукотехники.) Рис. 2.28. Волновые фронты, создаваемые шестью различными высокочастотными акустическими головками при возбуждении импульсом колоколообразной формы []301. (Перепечатано с разрешения Общества звукотехники.) ный отклик. Вычисление интегрального переходного спектра проводится с использованием БПФ импульсного отклика, по результат получается таким уке, как при измерениях с отключением гармонического питающего сигнала.
Анализ переходного спектра выявляет в пем вполне определенные особенности. Максимум отклика, появляющийся через 0,8 мс после выключения сигнала, по всей видимости, связан с отражением от задней стенки акустической колонки. Высокий уровень спектральной плотности на частоте 3,8 кГц, наблюдаемый по истечении 2 мс, указывает, что диффузор, по-видимому, сильно резонирует на этой частоте. Отметим, что этот резонанс наблюдается и в установившемся режиме, но там он поднимается выше общего уровня частотной характеристики всего на несколько децибел. В концевой части переходной характеристики этот резонанс оказывается доминирующим.